STM32与上位机Modbus协议的通信方法

2015-04-25刘禹辰张仁杰

电子科技 2015年10期

刘禹辰，张仁杰，刘虎，刘振

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)

步进电机广泛应用于医疗器械、汽车、工业机械手等领域。在步进电机的控制系统中，上位机提供人机交互的界面，设置、查询步进电机运动的相关参数，发送控制命令、数据等给电机控制器。为保证数据的正确传输，本文设计了上位机与下位机的通信方法，其中STM32微控制器作为下位机，其是电机控制器的控制核心，通信协议采用Modbus协议，此协议具有标准性和开放性的特点以及紧凑的帧格式，使通信更安全可靠。通信电路采用RS－485，简单高效，保证了数据传输的可靠性，整个系统达到了设计的预期效果和要求。

1 设计内容简介

1.1 smt32芯片简介

下位机用STM32F103ZET6微控制器，其内核是具有高性能、低功耗，可实时应用的Cortex－M3内核，该微控制器的工作频率为72 MHz，其具有灵活的可配置的静态存储器控制器FSMC，支持对PC/FC卡、SRAM、PSRAM以及NAND和NOR类型Flash的数据读写，时序可编程。其还具有功能强大的外设，提供了最多可达两个I2C接口，3个SPI接口和5个USART接口，还带有两个12位的ADC，一个12位有两个通道的DAC，11个计时器(16位)等［1］。

1.2 RS－485通信电路

RS－485协议的全称是TIA/EIA－485串行通讯标准，主要的技术上的进步是采用差分传输方式，采用2线制的接线方式，差分信号采用负逻辑，即2～6 V表示逻辑“0”;－6～－2 V表示“1”;若是两线上的差分电压，则检测信号时就无需找某个参照点来检测，这两线之间的电位差就是系统需要检测的。这样的信号差分传输大幅增加了信号误差容限，增强了抗干扰能力［2］。所以在传输速度、传输距离以及误差率方面优于RS－232。

上位机和STM32微控制器之间采用RS－485通信接口连接，RS－485通信接口电路图如图1所示。

图1 RS－485通信接口电路图

2 系统通信结构

系统通信连接方式如图2所示。

图2 系统通信结构图

2.1 Modbus协议介绍

Modbus协议包括主站和从站。在时间相同的情况下，总线上只可连接一个主站，相同的串行总线上可连接一个或多个从站(最大数量为247)。Modbus通信总是由主站发起。从站若未收到主站发出的请求，则从站不会有数据发出到主站。从站之间不能相互通信［3］。关于Modbus的事务处理主站同一时间只能开始处理一个。

Modbus中有两种串行传输模式:RTU模式和ASCII模式。用ASCII模式传输时，1 Byte需发送两个字符。而在RTU模式中，有两个4位的16进制字符包含在报文的每个8位字节中。所以RTU模式的效率比ASCII模式的效率高［4］。本文使用RTU传输模式。

2.2 Modbus协议报文

Modbus协议的报文如表1所示。

表1 Modbus协议的报文

地址码:地址码表明设置的从站的地址，每个从站都必须有唯一的地址码，从站接收主站发送的数据前和主站接收从站响应回复的数据前，只有地址码符合才能接收，否则丢弃。

功能码:当报文由主站向从站发送时。从站执行的操作根据功能码来判断。主站在收到从站的响应报文时，若主站接收到的功能码与从站之前接收的功能码相同，表明从站已响应主站请求并进行操作。若不同且响应报文中不是异常功能码，表示传输出错［5］。若从站出现与所请求的Modbus功能有关的差错，则从站的响应报文中的功能码变成异常功能码，数据区则是异常码。异常功能码=功能码+0x80;异常码根据不同的异常，返回16进制的01－0B中的某个值。本文使用Modbus协议的功能码如表2所示。

表2 Modbus协议的功能码

数据区:数据区的内容跟据功能码的不一样而不同。数据区可能包含起始地址、寄存器地址、寄存器值和寄存器数量、字节数。例如功能码为03时，主站发送请求的数据含起始地址，寄存器数量，从站回复响应含字节数和寄存器值。

CRC校验码:CRC校验码包含两个8位字节组成的16位值［6］。在报文的最后字段附上CRC字段，在最后字段中附加的顺序是从字段中的低字节到高字节。报文发送中的最后字节是CRC的高位字节。发送设备计算CRC值并将其附加到报文CRC字段上，发送报文。在报文的接收中，接收设备要再计算CRC值，并将所得结果与接收到的CRC字段中的CRC值作比较。若两个值不相同，则就有错误。否则为正确［7］。

3 Stm32中软件设计

3.1 软件开发环境

程序设计是在STM32常用的开发工具Keil MDK中完成的，keil提供了一个完整的开发方案，其中包含了一个有着强大功能的仿真调试器和C编译器、库管理、链接器、宏汇编。这些功能组合在一个集成开发环境中(uVision)［8］。

3.2 部分程序设计

通信开始前要进行初始化，RS485要默认为接收状态，在初始化中要对串口进行参数设置，波特率设置为9 600 bit·s－1，8个数据位和1位停止位，奇偶校验位设置成无奇偶校验位。串口参数设置程序如下:USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600;//9600波特率USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//8位数据长USART_Init－Structure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;//1个停止位USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;//无校验USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;//允许接收和发送USART_Init(USART1，＆USART_InitStructure);//参数设定

当STM32接收到来自上位机的帧数据时，要对这一帧数据进行分析和判断，首先要判断这一帧数据是否为所需的报文，若设备地址正确，且接收报文过程中重新计算的CRC值和已接收的CRC值相等，之后则进行报文处理。

报文处理中，先要判断功能码是否为0x03、0x06、0x10，和功能码所对应的寄存器地址、寄存器数量或数值是否正确。若正确，根据功能码功能，进行任务处理之后生成返回给上位机的响应报文。否则进行异常处理，根据功能码，寄存器地址，寄存器数量或数值的不同错误，生成相应的异常码。经处理生成异常响应报文，返回给上位机。STM32中的程序流程图如图3所示。

图3 STM32中的程序流程图

4 上位机设计

4.1 上位机控制环境

上位机是采用Visual Studio 2010程序开发工具，在C#语言环境下开发的。C#提供的串行通信SerialPort类为上位机与STM32下位机之间的通信提供了基础。上位机提供了人机交互界面，在串口设置中可设置通信端口、波特率、数据位、停止位、校验位和设备地址。在参数设置中可设置参数，也可通过查询按钮查询数据。运动控制中各个按钮可向下位机发出对电机控制的指令，通信结束后，会有提示。将参数设置完，点击发送按钮，完成操作后上位机实际运行界面如图4所示。

图4 上位机实际运行界面

4.2 上位机软件设计

上位机中的程序运行如图5所示。数据的发送和接收通过SerialPort类中的BytesToWrite和BytesTo－Read两个属性完成。程序如下:sp.Write(message，0，messageLength);//数据发送ResponseAll［ResponseCount］=(byte)(sp.ReadByte());//数据接受

发送完数据后，下位机若在规定的时间内返回数据，则进行数据处理。数据处理和下位机对报文的处理有部分相似。也要进行CRC校验码判断和其他的相应判断，在判断中，多了对异常功能码和异常码的判断。处理结束后要生成相应的提示，若返回数据中有异常码，则会生成错误提示。